2025年，新鮮出爐的化學(xué)諾獎(jiǎng)?lì)C給了“金屬有機(jī)框架（MOF）”這一開創(chuàng)性研究。這項(xiàng)聽起來高深莫測(cè)的技術(shù)，其實(shí)就像用分子積木搭建微型宮殿，而建造這些宮殿的三位建筑師，分別是北川進(jìn)、羅布森和亞吉三位科學(xué)家。

令人意想不到的是，這項(xiàng)頂尖研究的起點(diǎn)，竟源于一項(xiàng)再普通不過的日常任務(wù)——制作教學(xué)模型。那么，這項(xiàng)看似不起眼的臨時(shí)雜活，是如何點(diǎn)燃一場(chǎng)化學(xué)革命，并最終登上科學(xué)最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)的？

靈感萌芽

1974年，澳大利亞的墨爾本大學(xué)講師理查德·羅布森，接到了一項(xiàng)平平無奇的教學(xué)任務(wù)。系主任斯特蘭克斯希望他為一年級(jí)新生的化學(xué)講座，制作一套大型木質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)模型。

這不過是很多講師教學(xué)準(zhǔn)備中的常規(guī)工作。當(dāng)然，羅布森沒有敷衍，而是一絲不茍地投入其中。他精確計(jì)算了代表原子的木球上應(yīng)鉆的孔洞角度，以便用木棍準(zhǔn)確連接出分子構(gòu)型。然而在組裝過程中，一個(gè)更深層的思考在他腦海中浮現(xiàn)：

真實(shí)分子世界中，原子或離子本身具有特定的化合價(jià)與配位傾向，這正如木球上預(yù)設(shè)的孔位。那能否利用這種天然的化學(xué)吸引力，讓分子像積木般自動(dòng)組裝成預(yù)設(shè)的宏觀結(jié)構(gòu)材料？

這個(gè)構(gòu)想在他腦海中醞釀了十余年。直到1989年，他才在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表論文，將理論付諸實(shí)踐。

他選用了I價(jià)銅離子作為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，搭配具有四個(gè)腈基臂的有機(jī)分子作為連接桿，成功構(gòu)建出內(nèi)部充滿有序空腔、結(jié)構(gòu)類同鉆石的晶體——這就是金屬有機(jī)框架（MOF）的雛形。

不過，這項(xiàng)研究在當(dāng)時(shí)并未立即引起轟動(dòng)，許多同行認(rèn)為這類結(jié)構(gòu)脆弱，實(shí)用性不高。但羅布森并未止步。1990年，他又通過一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證明，這種新材料孔道中的離子可以被置換出來，同時(shí)外部的其他離子也能遷移進(jìn)去。

這意味著，物質(zhì)可以自由地進(jìn)出這個(gè)“分子房間”，而框架本身保持不倒。他在論文中前瞻性地指出，這類材料有望用于催化等領(lǐng)域，為后來者清晰地勾勒出了一片充滿可能性的新天地。

體系建立

有前人開拓，就有后人跟進(jìn)。在羅布森的開創(chuàng)性工作之后，MOF領(lǐng)域迎來了兩位重要的推動(dòng)者——日本的北川進(jìn)與美國(guó)的奧馬爾·亞吉。

1997年，北川進(jìn)團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)新性制備出了一種新型的金屬三維有機(jī)框架。該材料在完全脫除內(nèi)部水分子后，仍能保持骨架結(jié)構(gòu)的完整性，不會(huì)坍塌。這座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的“分子大廈”還可逆地容納甲烷、氧氣等氣體分子，為解決早期MOF材料結(jié)構(gòu)脆弱的難題提供了關(guān)鍵突破。

北川進(jìn)一步指出，MOF與傳統(tǒng)沸石等多孔材料的本質(zhì)區(qū)別在于其高度的可設(shè)計(jì)性與獨(dú)特柔性。某些MOF材料在吸附或釋放分子時(shí)，能像呼吸般發(fā)生可逆的膨脹與收縮，這為開發(fā)智能響應(yīng)材料開辟了新途徑。

在北川進(jìn)于日本潛心夯實(shí)MOF基礎(chǔ)的同時(shí)，在大洋彼岸美國(guó)的亞吉為這個(gè)領(lǐng)域構(gòu)建了一套更為系統(tǒng)的“建筑學(xué)”理論。

1995年，他在首次提出了“金屬有機(jī)框架”一詞為該領(lǐng)域正式命名。1999年，他研發(fā)的MOF-5震驚學(xué)界：這種立方體框架不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，更擁有巨大的表面積比——一茶匙MOF-5的內(nèi)部表面積完全展開可覆蓋整個(gè)足球場(chǎng)，且能在300℃高溫下保持穩(wěn)定。

但亞吉更深遠(yuǎn)的影響，在于為這一領(lǐng)域的研究提供了一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)法則。這套法則為化學(xué)家如何用“樂高搭積木”的方式，來組合想要的分子構(gòu)筑單元提供一套系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)與合成方法。

從此，化學(xué)家們告別了“碰運(yùn)氣”的合成階段，可以更有目的地去設(shè)計(jì)和建造功能各異的“分子大廈”。而MOF這一最初被學(xué)界認(rèn)為“實(shí)用性不高”的領(lǐng)域，終于顯露出它作為一片廣闊新大陸的無限潛能，只待人們?nèi)ヌ剿骱烷_墾。

應(yīng)用曙光

這種材料究竟有哪些實(shí)際用途呢？

以團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MOF-303材料為例，可以將其看成一種“分子海綿”，它可在低溫夜晚，主動(dòng)從空氣中捕捉水蒸氣。在白天，陽光提供的熱量又可以讓這塊“海綿”將收集到的水釋放出來，凝結(jié)成純凈飲用水。這為干旱地區(qū)獲取水源提供了一種充滿希望的全新思路。

而在應(yīng)對(duì)氣候變化方面，MOF同樣扮演著關(guān)鍵角色。像CALF-20這樣的MOF材料，因其孔洞大小和化學(xué)環(huán)境經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，好比一種專屬“海綿”，可優(yōu)先、高效地吸附空氣中的CO2分子，而讓其他氣體通過。

在工廠和發(fā)電廠的排放端，可以用這種更節(jié)能、成本更低的方式捕獲CO2。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)已早走向規(guī)模化應(yīng)用，如2023年在我國(guó)新疆的風(fēng)城油田碳捕集項(xiàng)目，就利用了MOF技術(shù)來回收CO2，是目前全球最大的同類設(shè)施之一。

在能源領(lǐng)域，MOF也為氫能應(yīng)用掃除著一個(gè)關(guān)鍵障礙。氫氣作為一種高效清潔能源，卻因其易燃易爆、難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸而受限。

而MOF材料內(nèi)部可以提供相對(duì)穩(wěn)定的空間，使其能夠在相對(duì)溫和的條件下，通過物理吸附作用儲(chǔ)存大量的氫氣，就像是一個(gè)微型的、極其安全的高壓氣瓶，這為未來氫燃料電池汽車的發(fā)展提供了新的可能。

從這些應(yīng)用中我們不難看出，MOF研究已經(jīng)超越了基礎(chǔ)科學(xué)的范疇，正迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的生產(chǎn)力，為我們構(gòu)建一個(gè)更可持續(xù)、更清潔的未來。

結(jié)尾

羅布森當(dāng)年認(rèn)真對(duì)待那份看似平凡的工作時(shí)，恐怕也沒想到會(huì)開啟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。而MOF的發(fā)展歷程完美詮釋了什么叫"機(jī)遇偏愛有準(zhǔn)備的頭腦"。這告訴我們，有時(shí)候改變世界的不是多么宏大的計(jì)劃，而是對(duì)日常工作的用心思考和持續(xù)探索。

如今，神奇的MOF正在為解決人類面臨的飲水、能源和環(huán)境問題提供全新方案?？茖W(xué)的魅力不就在于此嗎？它讓看似遙不可及的諾貝爾獎(jiǎng)，最終化作解決實(shí)際問題的智慧，悄悄改善著每個(gè)人的生活。